PDF《上帝掷骰子吗–量子物理史话》

上帝掷骰子吗C量子物理史话 Microhard使用L A TEX2ε排版制作 October 20,

2005 2 Contents

1 第第第一 一 一章 章 章黄 黄 黄金 金 金时 时 时代 代代71.

1

第一节

7 1.2

第二节

9 1.3

第三节

12 1.4

第四节

15 1.5

第五节

18 2 第第第二 二 二章 章 章乌 乌 乌云 云云23 2.1

第一节

23 2.2

第二节

27 2.3

第三节

29 2.4

第四节

32 2.5

第五节

36 3 第第第三 三 三章 章 章火 火 火流 流 流星 星星41 3.1

第一节

41 3.2

第二节

43 3.3

第三节

47 3.4

第四节

50 3.5

第五节

53 4 第第第四 四 四章 章 章白 白 白云 云 云深 深 深处 处处59 4.1

第一节

59 4.2

第二节

63 4.3

第三节

65 4.4

第四节

69 5 第第第五 五 五章 章章曙曙曙光 光光75 5.1

第一节

75 5.2

第二节

78 5.3

第三节

83 5.4

第四节

87 5.5

第五节

91 3

4 CONTENTS

6 第第第六 六 六章 章章大大大一 一 一统 统统95 6.1

第一节

95 6.2

第二节

98 6.3

第三节

101 6.4

第四节

105 6.5

第五节

109 7 第第第七 七 七章 章章不不不确 确 确定 定 定性 性性115 7.1

第一节

115 7.2

第二节

119 7.3

第三节

123 7.4

第四节

126 7.5

第五节

131 7.6

第一节

135 7.7

第二节

138 7.8

第三节

143 7.9

第四节

147 7.10

第五节

152 8 第第第九 九 九章 章章测测测量 量 量问 问 问题 题题157 8.1

第一节

157 8.2

第二节

161 8.3

第三节

165 8.4

第四节

170 8.5

第五节

174 9 第第第十 十 十章 章章不不不等 等 等式 式式179 9.1

第一节

179 9.2

第二节

183 9.3

第三节

187 9.4

第四节

191 9.5

第五节

196 10 第第第十 十 十一 一 一章 章章上上上帝 帝 帝的 的 的判 判 判决 决决203 10.1

第一节

203 10.2

第二节

207 10.3

第三节

210 10.4

第四节

215 10.5

第五节

218 11 第第第十 十 十二 二 二章 章章新新新探 探 探险 险 险一 一一223 11.1

第一节

223 11.2

第二节

227 11.3

第三节

232 11.4

第四节

237 11.5

第五节

242 CONTENTS

5 12 后后后记 记记249

6 CONTENTS Chapter

1 第第第一 一 一章 章 章黄 黄 黄金 金 金时 时 时代 代代1.1 第第第一 一 一节 节节我们的故事要从1887年的德国开始.位于莱茵河边的卡尔斯鲁厄是一座 风景秀丽的城市,在它的城中心,矗立着著名的18世纪的宫殿.郁郁葱葱的 森林和温暖的气候也使得这座小城成为了欧洲的一个旅游名胜.然而这些怡 人的景色似乎没有分散海因里希?鲁道夫?赫兹(Heinrich Rudolf Hertz)的注意 力:现在他正在卡尔斯鲁厄大学的一间实验室里专心致志地摆弄他的仪器. 那时候,赫兹刚刚30岁,也许不会想到他将在科学史上成为和他的老师赫耳姆 霍兹(Hermann von Helmholtz)一样鼎鼎有名的人物,不会想到他将和卡尔?本茨(Carl Benz)一样成为这个小城的骄傲.现在他的心思,只是完完全全地倾注 在他的那套装置上. 赫兹的装置在今天看来是很简单的:它的主要部分是一个电火花发生 器,有两个相隔很近的小铜球作为电容.赫兹全神贯注地注视着这两个相对而 视的铜球,然后合上了电路开关.顿时,电的魔力开始在这个简单的系统里展 现出来:无形的电流穿过装置里的感应线圈,并开始对铜球电容进行充电.赫 兹冷冷地注视着他的装置,在心里面想象着电容两段电压不断上升的情形.在 电学的领域攻读了那么久,赫兹对自己的知识是有充分信心的,他知道,随着 电压的上升,很快两个小球之间的空气就会被击穿,然后整个系统就会形成一 个高频的振荡回路(LC回路),但是,他现在想要观察的不是这个. 果然,过了一会儿,随着细微的 啪 的一声,一束美丽的蓝色电花爆 开在两个铜球之间,整个系统形成了一个完整的回路,细小的电流束在空气中 不停地扭动,绽放出幽幽的荧光.

7 8 CHAPTER 1.

第一章黄金时代 赫兹反而更加紧张了,他盯着那串电火花,还有电火花旁边的空气,心 里面想象了一幅又一幅的图景.他不是要看这个装置如何产生火花短路,他这 个实验的目的,是为了求证那虚无飘渺的 电磁波 的存在.那是一种什么样 的东西啊,它看不见,摸不着,到那时为止谁也没有见过,验证过它的存在. 可是,赫兹是坚信它的存在的,因为它是麦克斯韦(Maxwell)理论的一个预言. 而麦克斯韦理论……哦,它在数学上简直完美得像一个奇迹!仿佛是上帝的手 写下的一首诗歌.这样的理论,很难想象它是错误的.赫兹吸了一口气,又笑 了:不管理论怎样无懈可击,它毕竟还是要通过实验来验证的呀.他站在那里 看了一会儿,在心里面又推想了几遍,终于确定自己的实验无误:如果麦克斯 韦是对的话,那么在两个铜球之间就应该产生一个振荡的电场,同时引发一个 向外传播的电磁波.赫兹转过头去,在实验室的另一边,放着一个开口的铜 环,在开口处也各镶了一个小铜球.那是电磁波的接收器,如果麦克斯韦的电 磁波真的存在的话,那么它就会穿越这个房间到达另外一端,在接收器那里感 生一个振荡的电动势,从而在接收器的开口处也激发出电火花来. 实验室里面静悄悄地,赫兹一动不动地站在那里,仿佛他的眼睛已经看 见那无形的电磁波在空间穿越.铜环接受器突然显得有点异样,赫兹简直忍不 住要大叫一声,他把自己的鼻子凑到铜环的前面,明明白白地看见似乎有微弱 的火花在两个铜球之间的空气里闪烁.赫兹飞快地跑到窗口,把所有的窗帘都 拉上,现在更清楚了:淡蓝色的电花在铜环的缺口不断地绽开,而整个铜环却 是一个隔离的系统,既没有连接电池也没有任何的能量来源.赫兹注视了足足 有一分钟之久,在他眼里,那些蓝色的火花显得如此地美丽.终于他揉了揉眼 睛,直起腰来:现在不用再怀疑了,电磁波真真实实地存在于空间之中,正是 它激发了接收器上的电火花.他胜利了,成功地解决了这个8年前由柏林普鲁 士科学院提出悬赏的问题;

同时,麦克斯韦的理论也胜利了,物理学的一个新 高峰C电磁理论终于被建立起来.伟大的法拉第(Michael Faraday)为它打下了地 基,伟大的麦克斯韦建造了它的主体,而今天,他C伟大的赫兹C为这座大厦封 了顶. 赫兹小心地把接受器移到不同的位置,电磁波的表现和理论预测的丝毫 不爽.根据实验数据,赫兹得出了电磁波的波长,把它乘以电路的振荡频率, 就可以计算出电磁波的前进速度.这个数值精确地等于30万公里/秒,也就是 光速.麦克斯韦惊人的预言得到了证实:原来电磁波一点都不神秘,我们平时 见到的光就是电磁波的一种,只不过它的频率限定在某一个范围内,而能够为 我们所见到罢了. 无论从哪一个意义上来说,这都是一个了不起的发现.古老的光学终于 可以被完全包容于新兴的电磁学里面,而 光是电磁波的一种 的论断,也终 于为争论已久的光本性的问题下了一个似乎是不可推翻的定论(我们马上就要去 看看这场旷日持久的精彩大战).电磁波的反射、衍射和干涉实验很快就做出来 了,这些实验进一步地证实了电磁波和光波的一致性,无疑是电磁理论的一个 巨大成就. 赫兹的名字终于可以被闪光地镌刻在科学史的名人堂里,可是,作为一 个纯粹的严肃的科学家,赫兹当时却没有想到他的发现里面所蕴藏的巨大的商 1.2.

第二节

9 业意义.在卡尔斯鲁厄大学的那间实验室里,他想的只是如何可以更加靠近大 自然的终极奥秘,根本没有料到他的实验会带来一场怎么样的时代革命.赫兹 英年早逝,还不到37岁就离开了这个他为之醉心的世界.然而,就在那一年, 一位在伦巴底度假的20岁意大利青年读到了他的关于电磁波的论文;

两年后, 这个青年已经在公开场合进行了无线电的通讯表演,不久他的公司成立,并成 功地拿到了专利证.到了1901年,赫兹死后的第7年,无线电报已经可以穿越 大西洋,实现两地的实时通讯了.这个来自意大利的年轻人就是古格列尔莫?马 可尼(Guglielmo Marconi),与此同时俄国的波波夫(Aleksandr Popov)也在无线 通讯领域做了同样的贡献.他们掀起了一场革命的风暴,把整个人类带进了一 个崭新的 信息时代 .不知赫兹如果身后有知,又会做何感想? 但仍然觉得赫兹只会对此置之一笑.他是那种纯粹的科学家,把对真理 的追求当作人生最大的价值.恐怕就算他想到了电磁波的商业前景,也会不屑 去把它付诸实践的吧?也许,在美丽的森林和湖泊间散步,思考自然的终极奥 秘,在秋天落叶的校园里,和学生探讨学术问题,这才是他真正的人生吧.今天,他的名字已经成为频率这个物理量的单位,被每个人不断地提起,可是, 或许他还会嫌我们打扰他的安宁呢? 1.2 第第第二 二 二节 节节上次我们说到,1887年,赫兹的实验证实了电磁波的存在,也证实了光 其实是电磁波的一种,两者具........